CN112733404B - 一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，先建立人体膝关节几何模型、再采集人体步态信息，最后建立有限元模型，通过有限元仿真得出关节表面的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测；本发明采用几何模拟和仿真的手段，将体内膝关节运动学与膝关节解剖模型相结合，将三维运动捕捉系统ViconT40S与Opensim结合仿真分析，利用Opensim可变的人体全身肌骨模型，使其与实验者的人体测量学尺寸相匹配，有效控制在模拟计算中的误差，增加逆运动学和逆动力学求解的准确性，使获得的最终数据更为准确。

Description

一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法

技术领域

本发明涉及关节建模技术领域，特别涉及一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，是一种人体在行走状态下，膝关节的有限元建模方法。

背景技术

膝关节是人体下肢活动的重要枢纽，也是人体关节中最容易出现疾病的关节，其病损会严重影响患者的行动能力和生活质量。分析膝关节生物力学和运动特性，对膝关节退行性病变原因，膝关节疾病的治疗措施、膝关节假体的设计及精确安置，以及下肢助力系统的设计和应用等多方面的研究都有重要的意义。

目前医学上对膝关节生物力学分析的方法主要有压敏片法和染色法等，需要将传感器植入受试者膝关节内部通过表面测量的方式获取应力分布，因此要直接测量真实膝关节内部压力分布十分困难。另一方面对于膝关节有限元模型的研究大多停留在静态分析屈曲运动的层面上，对于日常运动过程的研究较少。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，旨在建立人体行走状态下的膝关节三维模型和有限元模型，通过有限元仿真得出关节表面的应力分布情况，本发明采用几何模拟和仿真的手段，将体内膝关节运动学与膝关节解剖模型相结合，可以预测在运动过程中的软骨与半月板等组织的生物力学特性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤1：利用核磁共振或者CT扫描获取实验者的膝关节二维断层影像数据；确保影像设置层厚小于1mm，MRI选择三维脂肪抑制序列；

步骤2：将步骤1的数据文件导入Mimics进行图像分割和三维重建，建立包含骨组织、韧带、关节软组织以及半月板、完整膝关节的三维模型，保存为STL文件；

步骤3：将步骤2得到的STL文件导入Geomagic Studio软件中，对膝关节进行简化三角面片、去除钉状物、修复、松弛、参数化曲面、精确曲面操作，得到光滑的膝关节模型，保存为STL格式；

步骤4：将步骤3得到的STL文件导入SolidWorks装配，并调整装配模型的坐标系；

步骤5：采用Vicon T40S动作捕捉系统及测力平台设备对人体下肢行走过程中的髋、膝、踝关节角度及力矩、地面反作用力这些运动学及动力学数据进行采集；

步骤6：结合人体步态规律对人体下肢各关节的运动参数进行处理，记录地面反作用力数据和标记点轨迹数据，运动参数包括：下肢髋、膝、踝关节的屈曲/伸展、内收/外展、内旋/外旋三个主要运动的角度和关节力矩；

步骤7：通过人体运动仿真软件OpenSim建立人体肌骨模型，通过逆运动学及逆动力学解算步骤6得到的数据，计算人体膝关节在步态运动各个时间节点的关节角度和关节力矩；

步骤8：将步骤4得到的模型导入Hypermesh软件中，对膝关节各部分进行单位体网格划分，得到全膝关节网格模型；

步骤9：将步骤8得到的全膝关节网格模型导入Abaqus软件中，定义材料属性，设置接触面属性，半月板前后角也通过tie命令和胫骨绑定约束，以省去设置半月板前后角附着韧带的设置；

根据步骤6得到的膝关节屈曲角度和关节力，关节力矩，在Abaqus软件中设置两个分析步，第一步设置股骨的屈曲角度，让膝关节模型的姿态与运动中对应时刻的膝关节姿态一致；第二步对模型施加相应时刻的关节合力/合力矩，以此获得膝关节运动中的有限元模型；

步骤10：在对有限元模型分析计算时在分析步中设置一个粘性规划系数，结合UVARM子程序使用有限元隐式求解器对有限元模型求解计算，获得膝关节内部接触面的应力应变和格林应变等接触参数的分布情况；重复上述步骤可获得运动过程中任一时刻的膝关节各组织的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测。

所述的步骤2，具体为：通过设定阈值和区域增长命令，或者使用3D套索工具勾勒出各个组织的轮廓，或者使用布尔运算指令将各个部分分割出来，得到各个部分的三维模型；对于出现的尖锐突起或凹进，利用编辑指令进行边缘修正和补洞等处理，使生成的三维模型表面基本光滑。

所述的步骤3中，对步骤2中得到的几何模型进行光滑和曲面化、实体化处理。

所述的步骤4中，调整模型的坐标系，具体是，标准坐标系为：以股骨内外侧上髁中心为原点，X轴垂直于额状面由后往前，y轴垂直于水平面向上，Z轴垂直于矢状面由左往右。

所述的步骤5具体为：在人体上设置23个标记点，以正常行走姿势沿实验路径前进，设置10台Vicon MX红外高速摄像机拍摄标记点的移动，使用3块ATMI测力板实现短周期内足底地面反作用力的采集，动作捕捉系统与测力板连接，实现运动学数据和动力学数据的同步采集。

所述的步骤7具体为：将步骤6得到的各关节角度数据和地面反作用力数据导入OpenSim软件中，在已有的人体估计模型上标记实验中的23个点，通过整体和局部缩放使模型与实验者的各项测量学参数匹配，确保实验标记点与模型上的虚拟标记点位置误差最小，以通过逆向动力学获取较为准确的关节力矩数据。

本发明步骤1-4为建立人体膝关节几何模型，步骤5-7为人体步态信息采集实验，步骤8-10为建立有限元模型，具有以下有益效果：

1、运用目前较为成熟的核磁共振等医学手段，采用三维脂肪抑制序列可以获得层厚更小，更精确的影像数据。

2、利用Mimics医学建模软件，将扫描得到的二维影像进行处理，可以得到较为完整的膝关节三维模型。

3、使用Geomagic Studio，光滑模型效率更高，可直接将Mimics处理得到的多边形曲面转化为平滑的样条曲面，并获得实体化模型。

4、将三维运动捕捉系统Vicon T40S与Opensim结合仿真分析，利用Opensim可变的人体全身肌骨模型，使其与实验者的人体测量学尺寸相匹配，有效控制在模拟计算中的误差，增加逆运动学和逆动力学求解的准确性，使获得的最终数据更为准确。

5、Hypermesh相对与Abaqus有更为强大的网格划分功能，对模型进行前处理，避免因网格划分的局限性影响分析结果。

6、有限元模型应用范围广泛。通过设计不同的数据采集实验，在Abaqus中可以将膝关节有限元模型转换为任何运动中任一时刻的对应姿态，因此该模型可以适用于任何人体下肢日常运动的应力分析研究中，如上下台阶，下蹲运动等。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是本发明的详细流程图。

图3是全膝关节的三维立体模型。

图4是人体步态实验标记点。

图5(a)是膝关节合力图，图5(b)是膝关节合力矩。

图6是全膝关节网格模型。

图7是初始状态半月板应力状态。

图8(a)是半月板最大受力图，图8(b)最小受力图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种全膝关节有限元建模方法，具体如图1和图2所示，包括了以下步骤：

步骤1、本实施例利用Philips Ingenia 3.0扫描实验者的膝关节左腿获得二维断层影像数据；

步骤2：将采集到的数据文件导入Mimics软件中，利用阈值设定工具提取骨组织，并通过区域增长工具生成胫骨、股骨、髌骨、腓骨的几何蒙罩；利用3D套索工具勾勒出前后交叉韧带、半月板、内外侧副韧带等软组织轮廓，使用calculate part命令生成各组织的三维立体模。保存为STL格式。

值得注意的是，在步骤2中，需要对每层图形进行边缘分割、去除冗余数据及补洞处理，并在得到三维模型后进行光滑处理。

步骤3：将步骤2得到的STL文件导入Geomagic Studio软件中，对膝关节进行简化三角面片、去除钉状物、修复、松弛、参数化曲面、精确曲面操作，得到光滑的膝关节模型，如图3所示。

步骤4：将步骤3得到的光滑膝关节模型导入SolidWorks中，调整模型的坐标系：以股骨内外侧上髁穿轴线中心为原点，X轴垂直于额状面由后往前，y轴垂直于水平面向上，Z轴垂直于矢状面由左往右。

步骤5：采用Vicon T40S动作捕捉系统及测力平台等设备对人体下肢行走过程中的髋、膝、踝关节角度及力矩、地面反作用力等运动学及动力学数据进行采集。

步骤6：其中实验者在测力板路径上循环行走50次，其23个标记点与Opensim肌骨模型标记点一致，如图4所示。

步骤7：通过人体运动仿真软件OpenSi缩放模型的质量属性与尺寸建立受试者肌骨模型，并在模型标定23个与步骤五一致的标记点。将步骤5所得实验结果导入Opensim进行模拟仿真，进而获得人体下肢合力/合力矩，合力点即为股骨上髁穿轴线的中点，X轴垂直于额状面指向身体前方，y轴垂直于水平面，Z轴垂直于矢状面指向身体右侧，所得关节合力和关节合力矩如图5所示。

步骤8：将步骤4得到的模型导入Hypermesh软件中，对膝关节各部分进行单位体网格划分，得到全膝关节网格模型如图6所示。

步骤9：将步骤8得到的全膝关节网格模型导入Abaqus软件中，定义分析参数获得有限元模型。

具体来说，设置两个分析步，在分析步1中旋转膝关节股骨的角度，分析步2中设置载荷(关节合力与关节合力矩)。在接触属性中设置六对接触对，分别为股软骨-内、外侧胫软骨，股软骨-内、外侧半月板，胫骨-内外侧半月板，均为主从约束，值得注意的是股软骨和胫软骨之间的接触是在分析步2中才生效的。骨组织均设置为刚体，且胫骨和腓骨六个自由度全约束，软骨与韧带与相关连接骨骼组织使用tie命令约束，值得注意的是内外侧半月板的前后角也需要使用tie命令和胫骨之间绑定约束，以省去设置半月板附着韧带的提高计算效率。

步骤10：为确保迭代收敛的效率和稳定性，在对有限元模型分析计算时在分析步中设置一个粘性规划系数，在分析步中设置约0.0002的粘性规划系数，再结合相应的UVARM子程序，使用有限元隐式求解器对有限元模型求解计算获得膝关节接触面的应力应变及格林应变等接触参数的分布情况。重复上述步骤可获得运动过程中任一时刻的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测。

通过仿真所获得的左腿支撑相中0％，20％，60％，80％时刻的关节接触面的应力分布云图，如图7、图8所示。

以上所属实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，以上所属实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用核磁共振或者CT扫描获取实验者的膝关节二维断层影像数据；确保影像设置层厚小于1mm，MRI选择三维脂肪抑制序列；

步骤2：将步骤1的数据文件导入Mimics进行图像分割和三维重建，建立包含骨组织、韧带、关节软组织以及半月板、完整膝关节的三维模型，保存为STL文件；

步骤3：将步骤2得到的STL文件导入GeomagicStudio软件中，对膝关节进行简化三角面片、去除钉状物、修复、松弛、参数化曲面、精确曲面操作，得到光滑的膝关节模型，保存为STL格式；

步骤4：将步骤3得到的STL文件导入SolidWorks装配，并调整装配模型的坐标系；

步骤5：采用ViconT40S动作捕捉系统及测力平台设备对人体下肢行走过程中的髋、膝、踝关节角度及力矩、地面反作用力这些运动学及动力学数据进行采集；

步骤6：结合人体步态规律对人体下肢各关节的运动参数进行处理，记录地面反作用力数据和标记点轨迹数据，运动参数包括：下肢髋、膝、踝关节的屈曲/伸展、内收/外展、内旋/外旋三个主要运动的角度和关节力矩；

步骤7：通过人体运动仿真软件OpenSim建立人体肌骨模型，通过逆运动学及逆动力学解算步骤6得到的数据，计算人体膝关节在步态运动各个时间节点的关节角度和关节力矩；

步骤8：将步骤4得到的模型导入Hypermesh软件中，对膝关节各部分进行单位体网格划分，得到全膝关节网格模型；

步骤9：将步骤8得到的全膝关节网格模型导入Abaqus软件中，定义材料属性，设置接触面属性，半月板前后角也通过tie命令和胫骨绑定约束，以省去设置半月板前后角附着韧带的设置；

根据步骤6得到的膝关节屈曲角度和关节力，关节力矩，在Abaqus软件中设置两个分析步，第一步设置股骨的屈曲角度，让膝关节模型的姿态与运动中对应时刻的膝关节姿态一致；第二步对模型施加相应时刻的关节合力/合力矩，以此获得膝关节运动中的有限元模型；

步骤10：在对有限元模型分析计算时在分析步中设置一个粘性规划系数，结合UVARM子程序使用有限元隐式求解器对有限元模型求解计算，获得膝关节内部接触面的应力应变和格林应变等接触参数的分布情况；重复上述步骤可获得运动过程中任一时刻的膝关节各组织的应力分布情况，实现对运动过程膝关节内部生物力学的预测。

2.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤2，具体为：通过设定阈值和区域增长命令，或者使用3D套索工具勾勒出各个组织的轮廓，或者使用布尔运算指令将各个部分分割出来，得到各个部分的三维模型；对于出现的尖锐突起或凹进，利用编辑指令进行边缘修正和补洞处理，使生成的三维模型表面光滑。

3.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，所述的步骤3中，对步骤2中得到的几何模型进行光滑和曲面化、实体化处理。

4.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤4中，调整模型的坐标系，具体是，标准坐标系为：以股骨内外侧上髁中心为原点，X轴垂直于额状面由后往前，y轴垂直于水平面向上，Z轴垂直于矢状面由左往右。

5.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤5具体为：在人体上设置23个标记点，以正常行走姿势沿实验路径前进，设置10台ViconMX红外高速摄像机拍摄标记点的移动，使用3块ATMI测力板实现短周期内足底地面反作用力的采集，动作捕捉系统与测力板连接，实现运动学数据和动力学数据的同步采集。

6.根据权利要求1所述的一种运动过程中人体膝关节有限元模型的建立方法，其特征在于，

所述的步骤7具体为：将步骤6得到的各关节角度数据和地面反作用力数据导入OpenSim软件中，在已有的人体估计模型上标记实验中的23个点，通过整体和局部缩放使模型与实验者的各项测量学参数匹配，确保实验标记点与模型上的虚拟标记点位置误差最小，以通过逆向动力学获取较为准确的关节力矩数据。

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